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塑料光纤现状与前景展望
摘要：简要叙述了塑料光纤的历史，研究现状，并对塑料光纤的未来前景进行了展望。
关键词：光纤传输，塑料光纤，POF，传输损耗，传输带宽
正文：
1.前言
人类已经进入信息时代，对信息需求激增,接入网在向光纤到户迈进。但由于以往使用的石英光纤在连接及系统安装方面都存在着许多不尽人意的地方,特别是当其直径小于0.1mm时，抗冲击的能力较差,不易连接，生产的成本也比较高,不仅提高了局域网建设的成本，也增加了用户的负担。为了解决这个问题，人们又在寻找用其它新型材料作通信传输介质的途径，其中被大力开发的一种就是塑料光纤（POF）。
2.塑料光纤的发展历程
塑料光纤已有 30 多年的历史,最初用于传光、照明和传相等,其后在汽车、医疗和工业控制等方面也取得了成熟的应用和推广,最近在宽带通信领域中也取得了突破性进展。
最早的塑料光纤是美国杜邦公司于1964年开发的以聚甲苯丙烯酸甲酯(PMMA)为纤芯的塑料光纤,其传输损耗大约为1000dB/km。
其后,日本的NTT和三菱人造丝公司在杜邦公司拉丝技术的基础上致力于降低塑料光纤的损耗,在提高其耐热性和研究梯度折射率塑料光纤(GI2POF)等方面取得了重大成就。
1992年,Yoshiro、Koike等人用界面凝胶法制造出的梯度折射率光纤,明显降低了塑料光纤的损耗,有效提高了塑料光纤的带宽,为塑料光纤在通信网络中开拓了广阔的应用前景。
2000 年,OFC会议上,日本硝子玻璃株式会社报道了氟化梯度塑料光纤衰减系数：在850nm为41dB/km、1300nm为33dB/km,其带宽已达100MHz/km。用这种光纤成功地进行了100m、11Gbit/s和5.0m、2.5Gbit/s的高速传输试验和70℃长期热老化试验。通过实验得出结论,氟化梯度塑料光纤完全能满足短距离通信的使用要求。
美国在塑料光纤的发展历程中也起到了推动作用,美国政府委托波音、BOF等公司于1992 年成立了高速塑料网络联合体(HSPA),目标是研制渐变型塑料光纤。通过三年的努力,该联合体已经将塑料光纤技术推向航空、汽车和数据通信市场 ,并于1997年5月通过了渐变型塑料光纤的第一个工业标准。
塑料光纤之所以得到世界上许多国家和组织的积极开发,就在于塑料光纤将用于通信网络中1千米范围内的网络连接,成为短距离高速通信网络主要的传输媒质。
3．塑料光纤的原理
塑料光纤的工作原理为：当光线以一定角度从光密介质射向光疏介质时，就会发生光线在界面上的全反射，光线重新折回光密介质中，光纤就是利用全反射的原理将光从一端传至另一端的。构成塑料光纤的材料有两种，高折射率和低折射率的两种透明聚合物，而且低折射率的材料必须完整地包住高折射率的材料，即皮材必须包覆住芯材。
塑料光纤的芯材和皮材必须满足以下几个条件：
（1）两者都是透明的无定型聚合物，具有耐高温性和强韧性；
（2）两者的折射率之差应满足 n芯n皮0.05的条件，以确保有一定的受光角；
（3）两者具有良好的匹配性，界面粘接性良好。
4．塑料光纤的优点
塑料光纤与石英光纤相比,塑料光纤在高速短距离通信网络中具有显著的竞争优势,特别在100-1000m范围内带宽可达数GHz,而成本则与对称电缆相当。同时塑料光纤具有加工容易、弯曲性能好、可以制成大芯径(0.5-1mm)、大数值孔径(0.3-0.5)的光纤,且可采用注塑连接器,其连接、分路简单,操作简便,价格便宜,可采用可见光作光源等一系列优点。另外,塑料光纤的重量轻,可绕性好,易于在狭窄的空间内铺设。因此备受人们关注,形成了国际上一个新的研究开发热点。据国际市场分析,塑料光纤将以每年20%以上的速度增长,至2002年,全世界塑料光纤的销售额估计将高达10亿美元。
5.塑料光纤的性能
目前石英玻璃光纤性能的研究主要定位在损耗、色散、偏振模色散、非线性效应等 ,而塑料光纤的性能研究重点则是损耗、色散、热稳定性、机械性能等。
塑料光纤的最大缺点是损耗大。塑料光纤的损耗主要取决于所选材料的散射损耗和吸收损耗。其中散射损耗有因为波导结构不完善(如聚合物杂质、光纤中的微空隙、尘埃和气泡、纤芯直径的不均匀不完整性等)所引起的损耗以及由于瑞利散射引起的损耗。使用合适的包层材料和控制聚合物聚合度与分子量分布,可降低散射损耗。而吸收损耗则是由分子键(碳氢、碳氘等)伸缩振动吸收以及分子键中的不同能级间的电子跃迁引发吸收所致。在以碳氢键为基本骨架的高分子材料中,波长为650nm处的吸收损耗大约为120db/km。如果用氟原子替代碳氢键中的氢原子后所组成的氟化塑料材料,这样不仅降低了损耗,而且也降低了色散。用氟化塑料制成的梯度折射率光纤,由于其在红外区无原子振动引起的吸收损耗,故可制得在可见光至红外范围的损耗很小,即在1.3um波长处吸收损耗为33db/km的梯度型折射率分布的塑料光纤。
带宽是光纤波导的一个重要特点,带宽大小决定了光纤的信息传输能力。增加光纤带宽通常有两种方法：一是减小光纤芯的数值孔径(NA)。较小的NA使得光纤中具有传输较低阶的模式,从而减小了模间色散，故能使光纤带宽得到提高。二是改变光纤芯的折射率。当梯度折射率光纤具有接近于抛物型的最佳折射率分布时,光纤的模间色散最小,可以获得最佳带宽性能。另外,当入射光源的孔径较小时,光纤中只有部分模式激发,色散小于光纤中全部传输模被激发的情形,因而也可以获得相对高的工作带宽。
塑料光纤是由塑料材料制成的,由于塑料熔点低,耐热性能差,通常塑料光纤在高温环境中会发生氧化降解和损耗增大。氧化降解是由于构成光纤芯材料中的羰基、双键和交联形成的。氧化降解促使电子跃迁加快,进而引起光纤的损耗增大。当温度低于-20℃时,塑料光纤将变硬、变脆。
为提高塑料光纤的热稳定性,通常采用的做法是：选用含氟或硅的塑料材料制造塑料光纤；降塑料光纤的光源工作波长选择在大于660nm,以求得塑料光纤的耐热型长期稳定有效。
塑料光纤的一个显著的特点是柔软性能好。例如 ,一毫米粗的塑料光纤按曲率半径为6 毫米作180度的来回弯曲100多次,对塑料光纤毫无损害,透过率并无变化,所以塑料光纤可以十分方便地安装在光纤分线箱内。
6．塑料光纤的应用
塑料光纤早在上世纪60年代就获得应用。由于受当时技术条件的限制,塑料光纤的损耗
较大、寿命较短、传输性能和物理化学性质等也不够稳定,主要用于传光、照明、传相等非通信方面。随着光纤新材料、新型光纤结构以及新理论和新技术等的不断开发应用,现在的塑料光纤已能用于短距离、高速率的数据传输系统。
塑料光纤在未来家庭智能化、办公自动化、工业控制网络化、车载机载通信网和军事通信网的数据传输中具有重要地位。利用塑料光纤可以组成家庭网络,把家用 PC、娱乐设施、数字设备、家庭安全设备连成网络,达到家庭自动化和远程控制管理,提高生活质量,还可以实现办公设备的联网,实现远程办公。塑料光纤由于重量轻且耐用,可以将车载机通信网络和控制系统组成一个网络,将微型计算机、卫星导航设备、移动电话、传真等外设纳入机车整体设计中,旅客还可通过塑料光纤网络在座位上享受音乐、电影、视频游戏、购物、Internet 等服务。但是 ,从塑料光纤自身的特点来看,塑料光纤的应用领域以短距离、中小容量通讯系统比较合适，可作为大容量、长距离石英单模光纤的补充，共同构成完整的光信息网络有线传输系统。
随着计算机和自动控制技术的高速发展,工业自动化水平提高到一个崭新的高度。工业自动化根据其特点和使用方向可分为过程控制自动化、面向生产和制造业的自动化以及自动化测量系统(工业测量仪表)。这些工业自动化系统的建立和发展都有一个共同特点,即由直接控制系统向集散型控制系统发展,而这种集散型控制系统的发展都是以各种工业网络为基础。通过这些形形色色的工业总线系统,各种工业设备构成一个既分散又统一的整体。对塑料光纤来说,工业控制总线系统是其最稳定和最大的市场之一。通过转换器,POF 可以与RS232、RS422、100Mbit/s以太网、令牌网等标准协议接口相连 ,从而在恶劣的工业制造环境中提供稳定、可靠的通信线路,高速传输工业控制信号和指令,避免了因使用金属电缆线路受电磁干扰而导致通信中断的危险。
在军事通信上,塑料光纤也得到了进一步开发,用于高速传输大量的敏感、保密信息,如利用塑料光纤重量轻、可绕性好、连接快捷、适用于在身佩带的特点,用于士兵穿戴式的轻型计算机系统,并能够插入通信网络下载、存储、发送、接受关键任务信息,且可在头盔显示器中显示。
7．塑料光纤的缺点
尽管POF具有众多的优点，但也存在一些缺点。由于POF的衰减主要是由芯包塑料材料的吸收损耗和色散损耗形成，因此造成了POF的衰减过大。在通信过程中，环境温度的对塑料光纤性能的影响很大，导致了POF耐温性差。由于POF是由塑料材料制成的，具有良好的延展
性，因此在实际施工过程中，非正常的工程操作会导致POF的弯曲、拉伸，使其衰减程度增大，影响正常传输指标。
8．塑料光纤的前景展望
塑料光纤用于短距离通信的局域网和接入网的前景不可估量,从塑料光纤技术的发展历程看,还有许多问题需待进一步研究解决。主要有以下几个方面：
进一步降低传输损耗。塑料光纤的传输损耗由初期聚甲苯丙烯酸甲酯(PMMA)芯光纤的 1000dB/km以上到现在氟化物芯光纤的15dB/km左右,降低了近100倍。塑料光纤的传输性能以及耐热性、耐湿性、耐酸碱性等物理化学稳定性方面都获得了大幅度的提高。随着研究的不断深入,其损耗还将进一步减小,如采用吸附分离等先进的单体精制技术,引入高折射率,掺入量的折射率修正剂,以及开发新型全氟化聚合物等。
进一步增大传输带宽。塑料光纤的带宽由最初的渐变折射率塑料光纤(SI2POF)的几个 MHz增加到现在的梯度折射率塑料光纤的数个GHz,提高了近3个数量级。由于氟化物塑料光纤的材料色散很小,因此通过优化光纤芯区折射率的分布形式,创造新型的光纤结构,进一步降低模间色散,采用空分复用和波分复用等技,塑料光纤的传输带宽可望达到10 GHz·km以上。
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